嵌入式Linux操作系统实时性的研究

王惠玲

（兰州资源环境职业技术学院，甘肃 兰州 730021）

嵌入式Linux操作系统实时性的研究

王惠玲

（兰州资源环境职业技术学院，甘肃 兰州 730021）

通过分析嵌入式Linux在实时性方面的缺陷和不足，针对细化时钟粒度、可抢占式内核体系结构、中断软件模拟和实时调度策略等问题进行研究，提出了相应的实时性改进方法及宏观调度结构，拓展了实时系统的应用范围。

嵌入式系统；Linux；实时性；抢占；调度策略

一、引言

Linux以其功能强大、源代码开放、支持多种硬件平台、模块化设计方案及丰富的开发工具支持等特点广泛应用在嵌入式系统领域。作为嵌入式产品的操作系统平台，Linux具有较好的实时性、系统可靠性、任务处理随机性。但由于其在实时应用领域的技术障碍，要应用在嵌入式领域，还必须对Linux内核作必要的改进。本文首先分析了实时系统的特点和Linux内核在实时应用方面的不足，然后针对影响操作系统实时性能的若干方面进行研究，提出解决方案。

二、实时系统的分类

实时操作系统贵在实时，要求在规定的时间内完成某种操作。因此实时系统最重要的特点就是实时性，即系统的正确性不仅仅依赖于计算的逻辑结果的正确性，还取决于输出结果时间的及时性。从这个角度看，实时系统是“一个能够在指定或者确定的时间内完成系统功能和对外部环境做出响应的系统”。按对实时性能要求的程度，实时系统可分为两类：

1.硬实时系统：要求可确定性强，具有明确的实时约束，在某个限定的时刻之前不能完成任务将造成灾难性的后果。因此，在这类系统的设计和实现过程中，应采用各种分析、模拟及形式化验证方法对系统进行严格的检验，以保证在各种情况下应用的时间需求和功能需求都能够得到满足。

2.软实时系统：也对时间敏感，当某些应用虽然提出了时间要求，但偶尔发生不能满足严格实时要求的情况也是允许的。因此，某些应用虽然提出了时间需求，但实时任务偶尔违反这种需求对系统的运行以及环境不会造成严重影响。

三、Linux 在实时应用中的技术障碍

尽管Linux本身提供了一些支持实时性的机制，但是由于其最初的设计目标为通用分时操作系统，并且Linux系统是以高的吞吐量和公平性为追求目标，基本上没有考虑实时应用所要满足的时间约束，它只是提供了一些相对简单的任务调度策略。因此，实时性问题是将Linux应用于嵌入式系统开发的一大障碍，无法在硬实时系统中得到应用，作为一个实时操作系统，Linux仍然存在如下缺陷：

1.Linux的内核是不可抢占的。Linux分为用户态和核心态两种模式，当进程运行在用户态时，可被优先级更高的进程抢占，但当它进入核心态时，其他用户态进程优先级再高也不能抢占它，这将导致优先级逆转，实时任务执行时间的不确定性，显然不能满足硬实时应用的要求。

2.Linux系统时钟精度太过粗糙。时钟管理是操作系统的脉搏，任务的执行和中止在很多情况下都是由时钟直接或间接唤起的，它是进程调度的重要依据。Linux的周期模式定时器频率仅为100Hz，使得其时间粒度过大，加大了任务响应延迟，远不能满足实时应用的要求。

3.Linux采用对临界区操作时屏蔽中断的方式，在中断处理中是不允许进行任务调度的，从而抑制了系统及时响应外部操作的能力。

4.缺乏有效的实时任务调度机制和调度算法。

5.Linux虽然给实时进程提供了较高的优先级，但是没有加入时间限制。例如：完成的最后期限、应在多长时间内完成、执行周期等等。同时，其他大量的非实时进程也可能对实时进程造成阻塞，无法确保实时进程的响应时间。

四、改进内核实时性的分析与研究

针对Linux在实时应用中的技术障碍，将Linux改造成为支持实时任务的嵌入式操作系统，主要从细化时钟粒度、可抢占式内核体系结构、中断软件模拟和实时任务的调度策略这四个方面对嵌入式Linux内核进行研究，并给出了相应的提高实时性的方法。

1.细化时钟粒度

精确的计时是实时调度器正确操作所必须的，调度器通常要求在一个特定的时刻进行任务切换，计时的错误将导致背离计划的调度，引起任务释放抖动。标准Linux系统时钟精度太过粗糙，时钟中断周期为10ms，不能满足特定嵌入式应用领域中对于响应时间精度的要求。因此，在实时Linux应用中，需要细化其时钟粒度，具体有两种方式可以解决时钟粒度问题：

（1）通过直接修改内核定时参数Hz的初值来细化时钟粒度，如将标准Linux中内核定时参数Hz改为10000，则时钟粒度可以达到100µs，这种方式虽然会增加一些系统开销，但在强周期性环境下，对定时器的设置只需初始化一次，在一定程度上保证了处理效率。

（2）通过对可编程中断定时器8254或先进的可编程中断控制器进行编程来改进Linux时钟机制，以提高其时钟的分辨率，使毫秒级的粗粒度定时器变成微秒级的细粒度定时器。

2.增强Linux可抢占性内核机制

标准Linux内核是不可抢占的，导致较大的延迟，增强内核的可抢占性能，可提高系统内核对实时任务的响应能力。为了解决Linux实现硬实时的最大障碍，使Linux内核成为完全可被抢占实时内核，典型的实现方案是双核结构。使用实时核来运行实时任务，Linux内核来运行非实时任务。如图1所示。

图1 双内核结构

对于Linux内核的修改主要集中在三方面：

（1）在Linux内核中影响实时性的地方增加控制点，使内核在控制点可以被抢占，减少内核抢占延迟。

（2）将执行时间较长的系统划分为几个甚至是十几个较小的块分别执行，使实时任务随时中断非实时任务。

（3）根据实际需要，增加部分功能。

3.中断软件模拟

响应时间的分析及解决方法：任务的响应时间被定义为一个事件的发生和任务响应这一事件开始执行之间的间隔时间，通常有以下几个因素影响任务的响应时间。

（1）中断分配时间IDT（interruptdispatchtime）：当一个中断产生时，在调用中断处理程序占用CPU以前，操作系统用来保存所有的寄存器中的内容和系统中其他的关于这一任务状态的时间。

（2）中断服务时间IST（interruptservicetime）：中断服务程序用来从硬件设备读取信息或从操作系统收集信息所用的时间。

（3）内核抢占时间KPT（kernelpreemptiontime）：在操作系统意欲抢占当前进程与抢占实际上发生之间的时间间隔。

（4）调度延迟SD（scheduledelay）：调度程序用来调度另一个线程投入运行的时间。

（5）进程切换时间CST（contestswitchingtime）：当前线程用来保存寄存器和系统状态的时间与将要运行的线程恢复寄存器中的内容和系统状态的时间总和。

（6）系统调用返回时间RST（returnfromsystemcall）：处于内核态的线程在它返回用户态之前检查一些状态所用的时间。

其中，SD、CST和RST总是固定不变的，如果Linux内核设计得当的话，IDT、IST和KPT可以有效的减少。在实时应用的环境中，若干个中断同时发生的情况是完全可能存在的。这时任务的响应时间最多将包含N（IDT+IST），N为中断数。

中断软件模拟被用来解决多个中断同时发生的情形。当一个硬件中断发生时，系统只是简单的在时间表中报告这一时间的发生，然后立即将CPU的控制权返回给操作系统，完全略过查中断向量表并执行相应的中断服务程序。系统在Linux内核之前截获了所有硬中断信号，并根据当前实时任务的需要，由软中断模拟机制处理或挂起该中断。

采用这个方法，可以减少当多个中断同时发生时任务的响应时间，最长的延迟时间为N*IST’。

4.改善Linux内核实时任务的调度策略

常用的实时调度算法有：

（1）基于优先级的调度算法。基于优先级的调度算法调度器以优先级作为寻求下一个任务执行的依据。可分为两种类型：

① 静态优先级调度算法：该算法给系统中所有进程都静态的分配一个优先级。静态优先级的分配可以根据应用的属性来进行。

② 动态优先级调度算法：该算法根据任务的资源需求来动态的分配任务的优先级。EDF算法是一种典型的动态优先级调度算法，该算法根据就绪队列中各个任务的截止期限来分配优先级，具有最近截止期限的任务的优先级最高。

（2）基于时间驱动的调度算法。该算法本质上是一种设计时就确定下来的离线的静态调度方法。在系统的设计阶段，在明确系统中所有处理的情况下，对于各个任务的开始、切换以及结束时间等事先组出明确的安排和设计。

（3）基于比例共享的调度算法。这是一种越来越受到关注的实时调度模式，基于GPS的算法。其基本思想就是按照一定的权重（CPU使用的比例）对一组需要调度的任务进行调度，使其执行时间与权重完全成正比。可以通过两种方法实现：

① 调节各个就绪进程出现在当前调度队列队首的频率，并调度队首的进程执行。

② 逐次调度就绪队列中的各个进程投入运行，但根据分配的权重调节分配给每个进程的运行时间片。

针对每一种调度策略都有自己的优越性和不足。通过设计和构造多属性和多调度器的选择机制，使三种实时调度策略的应用都得到支持，相对于只对单种调度策略提供支持的方案，拓展了系统的可使用范围，提出了一种宏观调度结构。如图2。

图2 宏观调度结构

其中给每一个实时任务定义了4个调度属性：priority（优先级：限制该任务比相关联的其他任务的优先权）、start time（起始时间：任务开始执行时间）、finish time（截止时间：任务停止时间）和budget（预设值：任务允许执行时间），不同属性的数据对应不同的调度策略。宏观调度结构分为两个模块：属性分配模块和调度器选择模块。属性分配模块给每一个实时任务分配多个属性值，并通过其中的一两个属性值决定哪个属性优先，这样调度器选择模块就可以根据属性的优先级别选择不同的调度器。

五、结束语

嵌入式技术具有广阔的应用前景，渗透于社会生活的诸多领域，把Linux应用于嵌入式系统，将其自身固有的优越性融入嵌入式技术，是嵌入式技术发展的一个重要方向。然而，由于Linux在实时应用领域的技术障碍，要将其应用在嵌入式领域还必须修改Linux 内核中的各个模块以达到满足嵌入式实时应用的需求。Linux实时性能的逐步完善、应用的需要也会进一步督促我们应该及时跟踪国内外Linux发展动态，同时积累此领域的开发经验，走出自己的路。

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1008-7427（2011）05-0157-02

2011-03-26

作者系兰州资源环境职业技术学院信息管理系讲师。